DE3219441C2

DE3219441C2 -

Info

Publication number: DE3219441C2
Application number: DE3219441A
Authority: DE
Inventors: Yoichi Itami Hyogo Jp Akasaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-05-25
Filing date: 1982-05-24
Publication date: 1989-07-20
Also published as: DE3249777C2; DE3219441A1; US4448632A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspru ches 1.

Aus der Zeitschrift "IEEE Transactions on Electron Devices", Vol. ED-27, No. 3, März 1980, Seiten 573 bis 578 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung von Halb leitervorrichtungen mit den folgenden Stufen bekannt.

Auf einer isolierenden Schicht (Al₂O₃) wird eine polykristalline Siliziumschicht ausgebildet, es wird dann die polykristalline Siliziumschicht mit einem Laserstrahl unter Veränderung der Kristallschicht bestrahlt, wobei man eine Schicht, die hauptsächlich Silizium enthält, auf der geänderten polykristallinen Siliziumschicht ausbil det. Schließlich wird die hauptsächlich Silizium enthal tende Schicht und die polykristalline Siliziumschicht mit einem Ionenstrahl zur Veränderung der Dotierung bestrahlt.

Aus der Zeitschrift "Japanese Journal of Applied Physics", Vol. 19, No. 1, Januar 1980, Seiten 23 bis 26 ist ein Verfahren zur Herstellung von Schichten für Halb leitervorrichtungen bekannt, bei dem man die folgenden Verfahrensschritte durchführt.

Bildung einer polykristallinen Siliziumschicht auf einer isolierenden oder amorphen Schicht (SiO₂), Bestrahlen der polykristallinen Siliziumschicht mit einem Laser strahl unter Veränderung der Kristallschicht.

Auch ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter vorrichtung unter Ausbildung einer monokristallinen oder im wesentlichen monokristallinen Halbleiterschicht auf einer Isolieschicht oder einer amorphen Schicht bekannt, bei welcher, wie dies in Fig. 1 gezeigt wird, eine poly kristalline Siliziumschicht 12 auf einer Isolierschicht 10 aus einem amorphen Material wie SiO₂ nach der CVD- Methode gebildet wird, und die polykristalline Schicht 12 dann mit einem Laserstrahl 20 bestrahlt wird, um die letztere zu schmelzen und dadurch die Korngröße zu erhö hen und einen Teil der polykristallinen Struktur in eine monokristalline Struktur umzuwandeln.

Bei einer weiteren bekannten Verfahrensweise kann man die Kristallstruktur dadurch noch verbessern, daß man ein Gitter 11 auf einer amorphen isolierenden Schicht 10 bil det, wie dies in Fig. 2a gezeigt wird. Eine polykristal line Siliziumschicht 12 wird auf der isolierenden Schicht 10 mit dem Gitter gebildet und dann wird die Silizium schicht 12 mit einem Laserstrahl unter Ausbildung einer monokristallinen Siliziumschicht 13, wie in Fig. 2b ge zeigt wird, getempert. Bei diesem Verfahren wird die Kristallorientierung aufgrund des Vorhandenseins der Seitenwandungen der Vertiefungen des Gitters orientiert, und damit wird eine Verbesserung der Kristallisation ermöglicht.

Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch die Verbesse rung der Kristallisation durch die Tatsache beschränkt, daß die Korngröße der nach der CVD-Methode gebildeten polykristallinen Siliziumschicht durch das Tempern ver größert wird, wenn man die Bestrahlung mit dem Laser strahl vornimmt, und es ist schwierig, die gesamte poly kristalline Siliziumschicht, deren Korngröße in der Größenordnung von 0,1 µm liegt, auf einmal in eine mono kristalline Siliziumschicht zu überführen. Um das über einen großen Bereich ausgebreitete polykristalline Sili zium in monokristallines Silizium zu überführen, ist es erforderlich, einen Laser hoher Energie zu verwenden. Die Verwendung von Hochenergielaserstrahlen verursacht je doch, daß sich eine polykristalline Siliziumschicht von der amorphen SiO₂-Schicht abtrennt und dadurch wird das angestrebte Ziel nicht erreicht.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Nachteile der vorerwähnten üblichen Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zu zeigen, mittels dessen man eine hochgradig monokristalline Schicht auf einer isolierenden oder amorphen Schicht, auf welcher eine polykristalline Siliziumschicht auf der isolierenden oder amorphen Schicht aufgetragen ist, wachsen zu lassen, wo bei die Möglichkeit gegeben sein soll, die Korngröße zu erhöhen, indem man mit einem Laserstrahl derart tempert, daß die Kristallschicht einer darauf später geformten epitaxialen Schicht ansteigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kenn zeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 und 3.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungs beispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläu tert. Es zeigt

Fig. 1 beschreibt ein übliches Verfahren zur Erhöhung der Korngröße von polykristallinem Silizium unter An wendung einer Schichttemperung;

Fig. 2a und 2b beschreiben eine übliche graphoepitaxiale Methode;

Fig. 3a bis 3d zeigen Querschnitte gemäß einer ersten Aus führungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 4a bis 4d zeigen ähnliche Querschnitte gemäß einer zweiten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung;

Fig. 5a bis 5e sind ähnliche Querschnitte gemäß einer drit ten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung und

Fig. 6a bis 6h sind ähnliche Querschnitte und zeigen eine vierte Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung.

In den Fig. 3a bis 3d, die eine erste Ausführungsform der Erfindung beschreiben, wird beispielsweise eine Silizium oxid (SiO₂)-Schicht 10 durch thermische Oxidation eines Halbleitersubstrats 14 aus einem Material wie einem mono kristallinen Silizium (Fig. 3a) gebildet. Das Material der Schicht 10 kann SiO₂ sein, dessen spezifische Dielektrizität niedrig ist, wenn ein LSI oder IC in einem oberen Teil des Siliziumkristalls, der elektrisch von dem Substrat 14 ge trennt ist, inkorporiert wird. Wenn man den Energiespiel raum des Laser-Temperns erhöhen möchte, kann die Schicht 10 aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) bestehen. Alternativ ist es mög lich, einen isolierenden Körper anstelle der Isolierschicht auf dem Halbleitersubstrat zu verwenden, oder man kann für diesen Zweck auch ein amorphes Material verwenden. Die Dic ke der SiO₂-Schicht kann beliebig sein. Jedoch beträgt die Dicke zweckmäßigerweise 1 bis 2 µm bei der thermischen Oxi dation unter Bildung von SiO₂ und unter Berücksichtigung der kapazitiven Kupplung desselben an das Substrat.

Anschließend wird eine dünne polykristalline Siliziumschicht 12 unter Anwendung einer CVD-Methode aufgetragen. Die Dicke der Schicht 12 liegt in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 µm. Dann wird die Schicht 12 mit einem Laserstrahl 20 zur Erhö hung der Korngröße bestrahlt. Die angewendete Laserenergie soll ausreichen, um die polykristalline Siliziumschicht 12 zu schmelzen und deren Korngröße zu erhöhen, wie dies in Fig. 3b gezeigt wird, wodurch man eine polykristalline Sili ziumschicht 13, enthaltend Monokristalle einer Größe im Be reich von 5 µm bis zu mehreren 10 µm erhält. Als Laser kann man einen solchen mit kontinuierlichen Wellen (CW), z. B. einen CW Argon-Laser verwenden.

Dann wird, wie dies in Fig. 3c gezeigt wird, eine epitaxia le Schicht 15, die hauptsächlich Silizium enthält, auf der Schicht 13 gebildet.

Es wird hier festgehalten, daß die Bedingungen des epitaxia len Wachstums auf der Schicht 15 in erheblichem Maße die Eigenschaften der später zu erhaltenden Schicht beeinflus sen. Die Bedingungen, unter denen besonders bevorzugte Kri stalle erhältlich sind, sind solche, bei denen man das epitaxia le Wachstum unter einem verminderten Druck in einer Atmos phäre, die hauptsächlich aus Dichlorsilan (SiH₂Cl₂)-Gas besteht, bei verhältnismäßig hohen Temperaturen (z. B. 1080°C) vornimmt. Die Dicke kann je nach der Struktur des herzu stellenden Gegenstandes und der Energie des Laserlichtes bestimmt werden und liegt im allgemeinen bei 0,5 bis 1,0 µm. Ist die Schicht zu dünn, so wird die Kontrolle des epi taxialen Wachstums unzureichend. Die polykristallinen Si liziumschichten 13 und 15 werden dann durch das Laserlicht aus einem CW-Laser ähnlich wie das Laserlicht 20 in Fig. 3a miteinander verschmolzen unter Ausbildung von monokristalli nem Silizium und somit unter Erhalt einer monokristallinen Siliziumschicht 16, wie dies in Fig. 3d gezeigt wird.

Indem man zunächst die dünne polykristalline Siliziumschicht 12 bildet und dann die Monokristallisation der Schicht 12 durch Lasertemperung erhöht, wird die Kristallgröße der auf der Schicht 12 gebildeten epitaxialen Schicht 15 sehr groß. Dadurch wird es bei der nächsten Lasertemperung mög lich, eine hochqualitative monokristalline Ausbreitung über eine große Fläche zu erzielen.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die in den Fig. 4a bis 4d gezeigt wird, wird eine graphoepitaxiale Methode mit der ersten Ausführungsform vereint, um dadurch noch die Kristallisation zu verbessern. In Fig. 4a wird eine dünne polykristalline Siliziumschicht 12 auf einem Raster oder Gitter 11 auf der SiO₂-Schicht 10 abgeschieden und dann mit Laser licht getempert. Dann führt man ein ähnliches Verfahren wie bei Fig. 3 durch unter Erhalt einer hoch qualitativen kristallinen Schicht 16.

Fig. 5a bis 5e beschreiben eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Wie in Fig. 5a gezeigt wird, wird auf der epi taxialen Schicht 15, welche die äußerste Laminierungsschicht bildet auf dem monokristallinen Siliziumsubstrat 14, der Silizium oxid- oder Siliziumnitridschicht 10, der polykristallinen Siliziumschicht 13, enthaltend monokristallines Silizium und der epitaxialen Schicht 15, die hergestellt wurde ge mäß den Stufen gezeigt in Fig. 3a bis 3c, eine Anti oxidationsschicht 17 aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) gebildet. Zu dieser Zeit ist es möglich, eine SiO₂-Schicht (nicht gezeigt) unterhalb der Si₃N₄-Schicht 17 vorzusehen. Eine solche Schicht kann als Unterlage verwendet werden. Die Dicke der Si₃N₄-Schicht 17 liegt in der Größenordnung von 500 bis 1000 Å und die der SiO₂-Schicht unter der Schicht 17, so fern vorhanden, liegt in der gleichen Größenordnung. Dann wird, wie in Fig. 5a gezeigt wird, ein Photolack 30 auf jeden Teil entsprechend den Abtrennflächen der zu bildenden Halbleitervorrichtung gebildet, und eine übliche Photogravier technik wird angewendet, um die Si₃N₄-Schicht 17 und die po lykristalline Siliziumschicht 15 unter der Schicht 17, die sich nicht unter dem Photolack 30 befindet, wegzuätzen. Nach dem Ätzen wird der Photolack 30 auf der Schicht 17 ent fernt, wie dies in Fig. 5b gezeigt wird. Dann wird, unter Verwendung der freigelegten Schicht 17 als Maskierung eine Oxidation durchgeführt, um die restlichen Teile der Silizium schichten 13, 15 zu oxidieren, so daß die Fläche der Sili ziumschicht 15 unter der Maskierung, d. h. die Silizium fläche von einer Oxidschicht 10 umgeben ist, wie dies in Fig. 5c gezeigt wird. Das vorerwähnte Verfahren ist als sog. isoplanare Methode bekannt.

Anschließend wird die verbliebene Si₃N₄-Schicht 17 entfernt und die Siliziumflächen 13, 15 werden, wie dies in Fig. 5d gezeigt wird, laserbehandelt und in eine monokristalline Siliziumfläche 16 überführt, wie dies in Fig. 5e gezeigt wird. Die zu schmelzende Fläche kann nur die Fläche der Siliziumfläche sein, die eine aktive Region wird, und diese Fläche liegt im allgemeinen in der Größe von 5 × 20 µm, wenn ein LSI gebildet wird. Es wurde festgestellt, daß die Monokristallisation einer Fläche der vorerwähnten Größe gemäß dieser Ausführungsform leicht erzielt werden kann. Es ist auch möglich, die Si₃N₄-Schicht als eine Antireflexions schicht zu verwenden und die Siliziumschicht in dem in Fig. 5c gezeigten Zustand zu behandeln.

Gemäß der dritten Ausführungsform ist es möglich, weil die Siliziumschicht 15, welche von der dicken SiO₂-Schicht 10 umgeben ist, schmilzt und weil die Schicht 10 eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und als Wärmestrahler wirkt, einer weniger starken Laser zu verwenden, das Verfahren zu vereinfachen und leichter durchführbar zu gestalten.

Fig. 6a bis 6b beschreiben eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Dabei wird die Kristallisation im Vergleich zu der dritten Ausführungsform noch weiter verbessert, indem man diese mit der graphoepitaxialen Methode kombiniert. In Fig. 6a wird eine polykristalline Siliziumschicht 12 auf das Gitter 11 des SiO₂ niedergeschlagen und laser-getempert. Anschließend wird gemäß einem gleichen Verfahren, wie dies bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5 dargestellt wird, eine monokristalline Siliziumfläche 16 mit guter Kri stallinität erhalten.

Wie bereits erwähnt, ist es ein wesentliches Merkmal der Erfindung, die anfänglich dünne polykristalline Silizium schicht vor der Ausbildung der epitaxialen Schicht auf der getemperten Schicht zu tempern. Obwohl es unmöglich ist, die Ziele der Erfindung zu erreichen unter Verwendung einer CVD-polykistallinen Siliziumschicht anstelle einer epi taxialen Schicht, kann man doch ein ausreichend polykri stallines Silizium mit einer genügend großen Korngröße durch epitaxiales Wachsen unter vermindertem Druck bei einer relativ hohen Temperatur erzielen. Große Monokristalle er hält man, indem man das so erhaltene polykristalline Sili zium mit einem Laser- oder Elektronenstrahl tempert.

Indem man weiterhin die polykristalline Siliziumschicht, deren Korngröße vergrößert wurde, umgibt und die umgebende Schicht mit Laser tempert, schmilzt das polykristalline Silizium und rekristallisiert und geht dadurch leicht in ein monokristallines Silizium über. Man kann leicht Elemen te wie MOS-Transistoren und/oder bipolare Transistoren innerhalb der so erhaltenen Si-Fläche und unter Anwendung bekannter Verfahren ausbilden. Daher wird es möglich, Halb leiterelemente für hohe Beanspruchungen von sehr kleiner Größe herzustellen.

Zwar erfordert die vorliegende Erfindung die Bildung eines Paares von übereinanderliegenden polykristallinen Silizium schichten und von zwei Laser- oder Elektronenstrahltemper behandlungen, das erhaltene monokristalline Silizium hat jedoch eine große Größe und sehr gute Qualität und ist solchem, das nach den üblichen SOS(Silizium-auf-Saphier)- oder SOI(Silizium-auf-Isolator)-Methoden erhältlich ist, überlegen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit den folgenden Stufen:

(a) Bildung einer polykristallinen Silicium schicht (10) auf einer isolierenden oder amorphen Schicht (14);
(b) Bestrahlen der polykristallinen Silicium schicht (10) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl unter Vergrößerung der Korngröße der Kristallschicht; und
(c) epitaxiale Ausbildung einer Schicht (12), die hauptsächlich Silicium enthält, auf der geänder ten polykristallinen Siliciumschicht (10),

dadurch gekennzeichnet, daß man

(d) die epitaxial gewachsene Schicht (12) und die polykristalline Siliciumschicht (10) mit einem Laser- oder Elektronenstrahl unter Ausbildung von monokristallinem Silicium bestrahlt und in Stufe (c) die epitaxial gewachsene Schicht (12) in einer SiH₂Cl₂-Atmosphäre unter vermindertem Druck ausbildet.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß man die polykristalline Sili ciumschicht (10) in Stufe (a) auf der isolierenden oder amorphen Schicht (14) mit einem Raster bildet.

3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß man als Isolierschicht (14) in (a) Siliciumoxid oder Siliciumnitrid ver wendet.